JP2002268099A

JP2002268099A - 光変調素子

Info

Publication number: JP2002268099A
Application number: JP2001062700A
Authority: JP
Inventors: Sadahiro Sako; 禎裕酒匂; Hideki Uchida; 秀樹内田; Seiichi Mitsui; 精一三ツ井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2002-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】高明度および高コントラスト比の反射型ディ
スプレイを実現する。【解決手段】少なくとも一方が電極２３を有する一対
の基板２２、２８が空間を隔てて平行に配置され、少な
くとも一方の基板２２が透明な材質からなり、かつ、少
なくとも一方の面に凹凸構造が設けられている。一対の
基板間には微粒子２７が含有され、電極２３への電圧印
加によって微粒子２７を両基板の間で移動させる。また
は、一対の基板間には圧電素子が設けられ、電極への電
圧印加によって圧電素子を凹凸構造を有する基板への接
触状態と非接触状態との間で切り替える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微粒子が凹凸構造
を有する基板とその対向基板との間を移動することによ
って反射光を変調する光変調素子に関し、特に、高明度
および高コントラスト比を実現することができる反射型
ディスプレイに好適な光変調素子に関する。また、本発
明は、圧電素子が凹凸構造を有する基板への接触状態と
非接触状態との間で切り替わることによって反射光を変
調する光変調素子に関し、特に、高明度および高コント
ラスト比を実現することができる反射型ディスプレイに
好適な光変調素子に関する。なお、本発明の用途は反射
型ディスプレイに限られず、一般的な光変調を応用した
反射型素子に適用可能である。

【０００２】

【従来の技術】現在、一般的なフラットパネルディスプ
レイにおける表示方式としては、液晶の複屈折性や旋光
性を利用するＴＮ（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）
モードやＳＴＮ（ＳｕｐｅｒＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍ
ａｔｉｃ）モードが使用されている。これらの方式は、
液晶による複屈折性や旋光性を利用したものであるた
め、偏光板を２枚用いる必要があり、これによる光の吸
収損失が約６０％にもなって表示が暗くなってしまう。

【０００３】一方、偏光板を用いない液晶表示方式とし
て、液晶に二色性色素を添加するゲスト−ホスト（Ｇ−
Ｈ）方式や、動的散乱モード、相転移モード、高分子分
散モードに代表される透過／散乱方式も提案されてい
る。さらに、液晶以外のものを用いた表示方式として
は、溶液中に微粒子を分散させた電気泳動方式や、二色
性回転微粒子を用いたツイストボール方式、導電性トナ
ーと電荷輸送層を用いたトナーディスプレイ方式等が知
られている。これらの表示方式では、偏光板による光の
損失が無いため、偏光板を用いたものに比べて明るい表
示が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したＧ−Ｈ方式に
おいて、ｐ型色素を用いると、二色性色素の光吸収は、
光の偏光方向が分子長軸に対して平行な場合に最大とな
り、光路と分子長軸が平行な場合に最小となる。よっ
て、一般的に用いられている平行配向の液晶表示素子に
おいては、表示色が電界無印加時に有色状態、電圧印加
時に無色状態の２値表示となる。ここで、偏光板を用い
ずに輝度およびコントラスト比を向上させるためには、
Ｇ−Ｈ液晶層を多層構造にするか、またはコレステリッ
ク液晶による相転移モードを利用する方法が挙げられ
る。

【０００５】しかし、Ｇ−Ｈ液晶層を多層構造とした場
合にはパネルの作製が困難であるため高コストとなり、
さらに、像の２重移り等の問題がある。また、コレステ
リック液晶による相転移モードについては、コントラス
ト、駆動電圧、応答速度等の基本特性がＴＮモードに比
べて劣るため、実用化には至っていない。

【０００６】上述した透過／散乱方式においては、一般
に、液晶表示素子の背後に黒色の光吸収体を設けて、液
晶層が透明のときに黒表示、散乱状態のときに後方光散
乱による白表示を実現している。このうち、動的散乱モ
ードおよび相転移モードにおいては、信頼性、応答速
度、駆動電圧等が実用的ではないため、現在は高分子分
散モードが広く研究されている。例えば高分子分散型液
晶としては、特表昭５８−５０１６３１号に開示されて
おり、電界の有無により高分子に対する液晶の屈折率を
変化させて、散乱状態と透明状態を切り替えて画像表示
を可能にしている。

【０００７】しかし、一般に液晶や高分子といった有機
材料の屈折率は狭い範囲で限られており、その比率は大
きくても１．２程度であるため、高分子分散型液晶表示
素子の後方光散乱率は低く、十分な明るさを得ることが
できない。そこで、セル厚を厚くして高い後方光散乱を
得る必要があるが、この場合には駆動電圧が非常に高く
なって現実的ではなくなる。

【０００８】電気泳動方式においては、一般に、絶縁性
液体中に着色帯電粒子を分散させ、この粒子分散溶液を
挟んで対向する一対の電極に電界を印加することによっ
て、帯電粒子を反対極性の電極へと移動させる原理を利
用する。そして、観測者側に粒子を配置した場合には粒
子の色を観測し、反対側に配置した場合には絶縁性液体
の色を観測することになる。この方式を用いた従来技術
は、例えば米国特許３，６１２，７５８号や特開昭５８
−４６６１６号に開示されており、横方向に粒子を移動
させる方式は、特開平１１−２１９１３５号等に開示さ
れている。

【０００９】しかし、この方式は、泳動粒子の凝集や沈
降、絶縁性液体へ混入させる発色剤が微粒子の電気泳動
動作を阻害するなどの点で、表示素子としての安定性や
寿命に問題があり、実用化には至っていない。

【００１０】ツイストボール方式においては、半球面を
他方の半球面とは異なる色または光学濃度とした分極を
有する微小球を絶縁体層上に配置し、微小球と絶縁体層
の間に液体を満たして微小球を回転可能な状態とする。
そして、微小球を挟んで対向する一対の電極に電界を印
加することにより微小球を回転させ、２つの半球面のコ
ントラストにより表示を行わせる。この方式を用いた従
来技術は、例えば米国特許４，１２６，８５４号や国内
特許第２８６０７９０号が知られている。

【００１１】しかし、この方式は、製法が複雑なことや
材料の選択範囲の制限が厳しいことなどの点で、実用化
には至っていない。

【００１２】さらに、白色微粒子中に黒色の導電性トナ
ーを分散させ、正孔輸送層を塗布した電極間でトナーを
移動させるトナーディスプレイ方式がＪａｐａｎＨａ
ｒｄｃｏｐｙ’９９論文集ｐ．２４９において発表され
ている。この方式では、粒子の白色とトナーの黒色を観
測者が直接観測できるため、原理的に非常に高いコント
ラスト比を実現することができる。

【００１３】しかし、この方式は、駆動電圧が高いこと
や白色微粒子と黒色トナーとが完全には分離しないこと
からコントラスト比が小さい等の問題があり、現時点で
は、まだ研究段階である。

【００１４】本発明は、このような従来技術の課題を解
決するべくなされたものであり、偏光板を用いない、高
明度および高コントラスト比の反射型ディスプレイを実
現することができる光変調素子を提供することを目的と
する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の光変調素子は、少なくとも一方が電極を有する一対
の基板が空間を隔てて平行に配置され、少なくとも一方
の基板が透明な材質からなり、かつ、少なくとも一方の
面に凹凸構造が設けられており、該一対の基板間に微粒
子が封入され、該電極への電圧印加によって該微粒子を
両基板の間で移動させることを特徴とする。

【００１６】一般に、すりガラス等で知られているよう
に、細かい凹凸構造を有するガラス基板やプラスティッ
ク基板は、観測者には白く濁って見えるため、その反対
側を観測することができない。これは、屈折率が１．４
〜２．０であるガラス基板やプラスティック基板が、屈
折率が１．０である空気を含む一般の気体や真空中に配
置されている場合、基板に入射する光の多くが入射側へ
と返るためである。

【００１７】例えば、図１に示すように、凹凸構造１１
を有する基板１０へ入射した外光１３は、外気と凹凸構
造との境界、および他方の平面１２と外気との境界にお
いて、光の屈折・反射が生じ、入射側に返る光１４、反
対側へ透過する光１５、内部に閉じ込められて横方向に
抜けるかまたは内部で吸収される光１６の各成分に分け
られる。ここで、スネルの法則、回折現象、散乱現象等
を利用して、凹凸構造１１をある規則に従って配列させ
たり、光の波長オーダー程度に細かく分散させたりする
ことによって、入射側へ返る光１４の成分を強くするこ
とが可能となる。

【００１８】このような凹凸構造を有する基板の一方の
面に他の材料からなる部材（例えば表面が着色していた
り、光吸収性がある部材等）が接触した場合、その反対
側の面から入射する光の多く（入射側の界面で反射され
なかった光）は、直接その材料に入射されるため、観測
者はその基板面に接触した部材の色を認識することにな
る。または、その部材が凹凸構造を構成する材料と同じ
屈折率を有する透明な連続体である場合には、観測者は
その連続体の背面に配置されたものを観測することにな
る。

【００１９】この原理を利用して、反射型の光変調素子
（反射型表示素子）を実現することが可能である。例え
ば図２に示すように、上下基板に形成された電極２３へ
の電圧印加によって、微粒子２７が観測者側（図２では
上方）の凹凸構造を有する基板２２と下方の平面基板２
８との間を移動するように素子を構成する。

【００２０】微粒子２７は表示部よりも十分小さいサイ
ズとし、表示部を覆い尽くすことが可能なものとする。
ディスプレイのピクセルサイズは一般に１００μｍ〜３
００μｍ程度であり、ピクセル領域と微粒子の接触面積
を広げるためには小さい微粒子サイズが要求される。ま
た、基板間距離および微粒子の重さにも制限がある。よ
って、上記微粒子の直径は、実質的に直径１０μｍ以下
であるのが好ましく、さらに好ましくは５μｍ以下であ
る。

【００２１】さらに、この図２では、両基板に形成され
た電極２３の上に電荷輸送層２４が形成されている。こ
の電荷輸送層２４は、正孔または電子のいずれかのみを
運ぶ（通す）層であり、各々正孔輸送層、電子輸送層と
称されている。このような電荷輸送層は、例えば導電性
トナーを微粒子として用いた実験においては必要であっ
た。しかし、微粒子の種類によって、また、周囲の雰囲
気を気体から液体に変えた場合等には、不要になる場合
もある。例えば、通常の電気泳動方式のディスプレイに
おいては、電荷輸送層は不要である。また、マトリクス
表示を行うためには、スペーサ壁２５を各画素の四辺に
形成するのが好ましい。

【００２２】例えば、電荷輸送層２４には正孔輸送材料
を、微粒子２７には黒色導電性トナー、外側の基板２
２、２８にはガラスやプラスティックを用いることがで
きるが、材料に関してはこれらに限定されるものではな
い。微粒子については、導電性材料に限られず、帯電し
やすい材料であれば用いることができる。例えば酸化チ
タン、アクリル、ガラス、シリコン、ウレタン、カーボ
ン、ポリスチレン等が一般的であり、これらの粒子を
金、銀、銅、アルミニウム等で被服したものも使用可能
である。また、微粒子の周囲の雰囲気を空気等の気体と
しているが、水等の液体とすることも可能である。例え
ば、水の屈折率は１．３３であり、気体ほど小さくはな
いものの、基板の屈折率よりは小さいため、それなりに
白状態を表現することが可能である。

【００２３】図２の左側の画素のように、上方の電荷輸
送層２４に微粒子２７が付着した場合、外光２０は微粒
子２７に入射され、外光側に居る観測者は微粒子２７の
色を観測することになる。また、図２の右側の画素のよ
うに、微粒子２７が上方の電荷輸送層２４から離れた場
合、電荷輸送層２４の直下は空気層２６となるため、観
測者は観測者側に返る光２１による白色を観測する。こ
れらの２状態およびその中間の状態（グレイスケール表
示）は、電極２３への電圧印加によって制御することが
できる。

【００２４】なお、電極は両方の基板に設ける構成であ
っても、一方の基板だけに設ける構成であってもよい。
但し、一方の基板だけに電極を設ける場合には、素子外
部にもう一つの電極を設けて内部電極（基板に備わった
電極）との間で電位差を発生させることになり、外部か
ら電界をかけるプリントタイプのように動作することに
なる。外部から電界をかける場合には、全く電極を設け
ない構成も可能であるが、電圧が高くなるために実用的
ではない。また、透明な材質からなる基板は、両方の基
板であっても一方の基板であってもよく、電極を有する
基板であっても有さない基板であってもよい。

【００２５】さらに、凹凸構造は両方の基板に設けても
一方の基板に設けてもよく、両方の基板に設けた場合に
は、パネルの表裏で反転した表示が得られる。また、凹
凸構造は基板の両方の面に設けても一方の面に設けても
よいが、基板の一方側の面にのみ設けて他方の面は略平
面にすることにより、良好な白表示が得られると共に、
電極や保護層等の形成が容易となる。

【００２６】上記基板間距離が５００μｍを超えると、
一般的なピクセルサイズの一辺よりも長くなり、観測者
が視差を感じてしまう。また、微粒子を駆動する電圧も
非常に高くなり、実用的ではない。よって、一対の基板
間の距離が５００μｍ以下であるのが好ましい。

【００２７】さらに、カラーフィルターを凹凸構造を有
する基板の観測者側（前面）に配置してもよい。カラー
フィルターは、白色入射光を、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青
（Ｂ）の各サブ画素によって分光、着色する機能を有す
る。よって、このカラーフィルターと本発明の光変調素
子とを組み合わせて加色混合を行うことにより、広い色
度範囲を有するカラー表示が可能となる。

【００２８】請求項２に記載の本発明の光変調素子は、
前記微粒子が着色していることを特徴とする。

【００２９】上記構成によれば、着色微粒子の色と白色
との２色による表示が可能となる。用いる微粒子の色
は、用途および環境に最適なものを用いることができ
る。特に、微粒子が黒色である場合には、黒色と白色と
の２色による高コントラスト表示が可能となる。このよ
うな表示は、新聞を初めとする文字情報の印刷物の表示
に最も適している。

【００３０】なお、微粒子が透明であったり、金属から
なるものであっても、それなりにコントラストのある表
示が可能である。微粒子が透明である場合には、微粒子
が光の波長程度の大きさで凝集すると強い光散乱性を有
することにより、表示が可能となる。この場合、凹凸構
造による比較的弱い光散乱状態と、凹凸構造＋透明微粒
子による強い光散乱状態との間で表示が切り替えられ、
あまり良いコントラストは得られない。また、金属等は
元々着色しているわけではないが、用いることができ
る。

【００３１】請求項３に記載の本発明の光変調素子は、
少なくとも一方が電極を有する一対の基板が空間を隔て
て平行に配置され、少なくとも一方の基板が透明な材質
からなり、かつ、少なくとも一方の面に凹凸構造が設け
られており、該凹凸構造を有する基板が、空気中で光散
乱性または指向性のある光反射特性を有し、該一対の基
板間に微粒子が封入され、該電極への電圧印加によって
該微粒子を両基板の間で移動させることを特徴とする。

【００３２】上記凹凸構造に必要とされる機能は、外光
を観測者側に戻すことである。より明るく見え、良好な
白表示を得るためには、光散乱性または指向性のある光
反射特性を有するのが好ましい。例えば、光の波長程度
の間隔で不規則に凹凸構造を形成した場合、光散乱性が
得られやすく、観測者は広い視野角で白状態を観測する
ことができる。一方、回折条件を満たす規則的な凹凸構
造を形成した場合、ある特定方向への指向性のある反射
特性（集光性）が得られ、指向性のある白状態を実現す
ることができる。

【００３３】請求項４に記載の本発明の光変調素子は、
少なくとも一方が電極を有する一対の基板が空間を隔て
て平行に配置され、少なくとも一方の基板が透明な材質
からなり、かつ、少なくとも一方の面に凹凸構造が設け
られており、該一対の基板間に圧電素子が設けられ、該
電極への電圧印加によって該圧電素子を該凹凸構造を設
けた基板への接触状態と非接触状態との間で切り替える
ことを特徴とする。

【００３４】上述したように、細かい凹凸構造を有する
ガラス基板やプラスティック基板は、観測者には白く濁
って見えるため、その反対側を観測することができな
い。

【００３５】このような凹凸構造を有する基板の一方の
面に他の材料からなる部材が接触した場合、その反対側
の面から入射する光の多くは直接その材料に入射される
ため、観測者はその基板面に接触した部材の色を認識す
ることになる。または、その部材が凹凸構造を構成する
材料と同じ屈折率を有する透明な連続体である場合に
は、観測者はその連続体の背面に配置されたものを観測
することになる。

【００３６】この原理を利用して、反射型の光変調素子
（反射型表示素子）を実現することが可能である。例え
ば図３に示すように、下方の基板３８に形成されたイン
プレイン型（横電界型）電極３６への電圧印加によっ
て、圧電素子３５が観測者側（図３では上方）の凹凸構
造を有する基板３２への接触状態と非接触状態との間で
切り替わるように素子を構成する。例えば電圧印加時に
非接触状態、印加時に接触状態というように切り替わる
ように構成することができるが、電界方向に膨張する圧
電素子の場合にはこの限りではない。

【００３７】さらに、マトリクス表示を行うためには、
スペーサ壁３３を各画素の四辺に形成するのが好まし
い。例えば、圧電素子３５には電界効果型ゲルを、外側
の基板３２、３８にはガラスやプラスティックを用いる
ことができるが、材料に関してはこれらに限定されるも
のではない。

【００３８】図３の左側の画素のように、上方の凹凸構
造を有する基板３２に圧電素子３５が完全に接触した場
合、外光３０は圧電素子３５に入射され、外光側に居る
観測者は圧電素子３５の色するか、または圧電素子３５
が透明である場合にはその背面に配置された着色層３７
の色を観測することになる。また、図３の右側の画素の
ように、圧電素子３５が上方の凹凸構造を有する基板３
２から離れた場合、基板３２の直下は空気層３４となる
ため、観測者は観測者側に返る光３１による白色を観測
する。これらの２状態およびその中間の状態（グレイス
ケール表示）は、電極３６への電圧印加によって制御す
ることができる。

【００３９】なお、電極は一方の基板に設けても、両方
の基板に設けてもよい。両方の基板に設ける構成は、例
えば圧電素子と両電極との間（図３の３４部分）が液体
で充填されている場合等に有効である。この場合には、
液体を介して圧電素子に電圧が印加されることになる。
圧電素子には、電界方向に収縮するタイプや伸長するタ
イプ等、様々なタイプがある。さらに、圧電素子の周囲
の雰囲気３４は空気などの気体としたが、水等の液体と
することも可能である。例えば水の屈折率は１．３３で
あり、気体ほど小さくはないものの、基板の屈折率より
は小さいため、それなりに白状態を表現することが可能
である。

【００４０】さらに、凹凸構造は両方の基板に設けても
一方の基板に設けてもよく、両方の基板に設けた場合に
は表裏で反転した表示が得られる。また、凹凸構造は基
板の両方の面に設けても一方の面に設けてもよいが、基
板の一方側の面にのみ設けて他方の面は略平面にするこ
とにより、良好な白表示が得られると共に、電極や保護
層等の形成が容易となる。

【００４１】一般に、画素の長辺は長くとも３００μｍ
であり、また、電極間隔が長いと圧電素子を駆動する電
圧も非常に高くなるため、実用的ではない。さらに、電
極ラインを１画素に複数本配置することも有効であり、
隣り合うラインに異なる電圧を印加することによって、
より低電圧駆動が可能となる。従って、電極を圧電素子
と常に接触している基板面に設けて、圧電素子を駆動す
る部分において２本以上の電極ラインを３００μｍ以下
の間隔で平行に配置するのが好ましい。

【００４２】さらに、カラーフィルターを凹凸構造を有
する基板の観測者側（前面）に配置してもよい。カラー
フィルターは、白色入射光を、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青
（Ｂ）の各サブ画素によって分光、着色する機能を有す
る。よって、このカラーフィルターと本発明の光変調素
子とを組み合わせて加色混合を行うことにより、広い色
度範囲を有するカラー表示が可能となる。

【００４３】請求項５に記載の本発明の光変調素子は、
前記圧電素子が前記凹凸構造を構成する材料の屈折率と
略同じ屈折率を有し、透明な材質からなることを特徴と
する。

【００４４】図３に示したように、圧電素子自身が透明
であり、その屈折率が上方の凹凸構造を有する基板材料
のものとほぼ同じであれば、その界面での屈折・光散乱
を防ぐことができ、圧電素子背面の層の色を直接観測す
ることが可能となる。なお、圧電素子は必ずしも透明で
ある必要はなく、着色していてもよい。この場合、接触
状態で圧電素子の色、非接触状態で白色の表示となる。

【００４５】圧電素子のサイズは、縦・横方向を画素サ
イズに合わせるのが好ましく、例えば５０μｍ〜３００
μｍ程度（実際のパネルサイズに依存する）であるのが
好適である。また、厚さ方向については、圧電素子の変
化率に依存するので一概には言えないが、例えば１００
μｍ厚のゲルが１０μｍの隙間でスイッチする状態とす
ることができる。

【００４６】請求項６に記載の本発明の光変調素子は、
前記圧電素子が電場変形性ゲルからなることを特徴とす
る。

【００４７】電場変形性のゲルはセラミック等の無機材
料からなる圧電素子に比べて変位量が大きく、また、弾
性率が高いため、上方基板への密着性も良好となる。

【００４８】請求項７に記載の本発明の光変調素子は、
前記圧電素子の観測者と反対側の面（背面）に着色層が
配置されていることを特徴とする。

【００４９】上記構成によれば、着色層の色と白色との
２色による表示が可能となる。用いる着色層の色は、用
途および環境に最適なものを用いることができる。特
に、着色層が黒色である場合には、黒色と白色との２色
による高コントラスト表示が可能となる。このような表
示は、新聞を初めとする文字情報の印刷物の表示に最も
適している。

【００５０】請求項８に記載の本発明の光変調素子は、
少なくとも一方が電極を有する一対の基板が空間を隔て
て平行に配置され、少なくとも一方の基板が透明な材質
からなり、かつ、少なくとも一方の面に凹凸構造が設け
られており、該凹凸構造を有する基板が、空気中で光散
乱性または指向性のある光反射特性を有し、該一対の基
板間に圧電素子が設けられ、該電極への電圧印加によっ
て該圧電素子を該凹凸構造を設けた基板への接触状態と
非接触状態との間で切り替えることを特徴とする。

【００５１】上記凹凸構造に必要とされる機能は、外光
を観測者側に戻すことである。より明るく見え、良好な
白表示を得るためには、光散乱性または指向性のある光
反射特性を有するのが好ましい。例えば、光の波長程度
の間隔で不規則に凹凸構造を形成した場合、光散乱性が
得られやすく、観測者は広い視野角で白状態を観測する
ことができる。一方、回折条件を満たす規則的な凹凸構
造を形成した場合、ある特定方向への指向性のある反射
特性（集光性）が得られ、指向性のある白状態を実現す
ることができる。

【００５２】請求項９に記載の本発明の光変調素子は、
前記電極がマトリックス構造からなり、該マトリックス
構造の格子点で１画素が構成され、該画素の４辺が壁構
造によって区画されていることを特徴とする。

【００５３】上記画素の画素の４辺が壁構造によって区
画されていることにより、画素間の微粒子移動等の相互
作用や、画素間の圧電素子の相互作用を遮断することが
可能となる。特に、微粒子の画素間移動を防ぐために
は、壁構造を設けるのが好ましい。圧電素子について
は、その境界が切断されて不連続であれば、壁構造を設
けなくてもよい。但し、圧電素子が画素にまたがって連
続している場合には、隣接する圧電素子の状態の影響が
大きいために表示時にクロストーク現象を引き起こすの
で有効である。なお、上記微粒子は、基板に設けた電極
への電圧印加によって基板間を移動させることができる
が、電圧印加を止めた後もその直前の状態を保持するメ
モリ性を有しているものがある。このような場合には、
電圧を保持するためのアクティブ素子は不要であり、単
純マトリックス構造を用いることが好ましい。これによ
り、製造コストを低減することも可能である。また、上
記圧電素子は、基板に設けた電極への電圧印加によって
基板への接触状態と非接触状態を切り替えることができ
るが、電圧印加を止めた後は元の状態に戻ってしまうも
のがある。このような場合には、画素を保持するための
アクティブ素子が必要であり、アクティブマトリックス
構造を用いることが好ましい。但し、上方基板と圧電素
子の接触面で接触状態を保持するような界面作用がある
場合にはこの限りではない。例えば、基板表面と圧電素
子の接触面が互いに強い相互作用（接着力）を有し、接
着したままである場合等が挙げられる。請求項１０に記
載の本発明の光変調素子は、前記凹凸構造が前記基板の
観測者側（外側）に設けられていることを特徴とする。

【００５４】上記構成によれば、良好な白表示が得られ
ると共に、微粒子が付着または圧電素子が接触する面を
平面として凹凸構造による微粒子または圧電素子への強
い束縛が生じないようにすることが可能となる。なお、
凹凸構造を内側に設けることも可能であり、特に指向性
のある光反射特性（集光性）を必要とされる場合にはこ
の方が好ましいこともある。

【００５５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、図面を参照しながら説明する。

【００５６】（実施形態１）本実施形態では、図４に示
すような微粒子４５を用いた反射型光変調素子を作製し
た。厚さ０．４ｍｍのプラスティックからなる上下基板
４０、４７の上に厚さ２００ｎｍのＩＴＯ電極４１が蒸
着法により形成され、さらにその上には厚さ１μｍの正
孔輸送層４２が形成されている。正孔輸送層４２は、ｐ
−ｄｉｅｔｙｌａｍｉｎｏ−ｂｅｎｚａｌｄｅｈｙｄ
ｅ−（ｄｉｐｈｅｎｙｌｈｙｄｏｒａｚｏｎｅ）とポリ
カーボネートを１：１の重量比で混合した溶液をスピン
コート法によりＩＴＯ電極４１上に塗布して形成されて
いる。

【００５７】上方基板４０の外側（観測者側）の面に
は、図５（ａ）〜図５（ｅ）に示すような凹凸構造が形
成されている。図５（ａ）は不規則な凹凸構造、図５
（ｂ）は規則的にライン状凹凸を二次元配列した構造、
図５（ｃ）は基板上に１種類のビーズを並べて、基板の
屈折率と略等しい屈折率を有する透明樹脂コートにより
固めた構造、図５（ｄ）は基板上に複数種類のビーズを
並べて、基板の屈折率と略等しい屈折率を有する透明樹
脂コートにより固めた構造、図５（ｅ）は凹凸構造の裏
面も適度に荒らした構造である。なお、ここで示した凹
凸構造は、実験上で便宜的に作製したものであり、本発
明はこのような構造および仕様に限られるものではな
い。

【００５８】スペーサ４３は厚み５０μｍのフィルムを
上下基板の四辺に配置して壁構造を構成し、エポキシ樹
脂で固めて形成した。ここで基板間隔を５０μｍとした
のは、好適なコントラストが得られ、かつ、低い電圧で
駆動できたからである。なお、基板間隔を５００μｍ以
上とした場合には、１ｋＶ以上の駆動電圧が必要となる
ので実用的ではない。微粒子４５としては直径５μｍの
黒色導電性トナーを用い、封入量は全体のセル容量の約
１／４程度とした。両基板間の残りの空間４４には空気
を含んでいる。

【００５９】図９（ａ）は、一般的な単純マトリックス
構造を有するパネルの正面図であり、図９（ｂ）はその
断面図である。ここでは、横方向の電極列９２を有する
上方基板９１と縦方向の電極列９３を有する下方基板９
０がシール９５を介して貼り合わせられている。電極部
は各々絶縁層９４、９６で覆われているのが一般的であ
るが、駆動素子によってはその有無や材料が異なる。横
電極と縦電極との交差部が所謂画素となり、電圧印加時
に選択された画素の素子が駆動することになる。

【００６０】このように構成したセルに対して約７０Ｖ
〜１５０Ｖの電圧を印加することにより、微粒子を基板
間で移動させることができ、上方基板に微粒子が付着し
たときに黒、下方基板に付着したときに白の表示が確認
された。また、図５（ｂ）に示したような凹凸構造を設
けた場合には、凹凸構造が内側になるように配置する
と、指向性を有する明るい表示が得られた。さらに、印
加電圧に応じた中間調表示、および電圧を切っても表示
状態を保持するメモリ特性も確認することができた。中
間調表示が可能であるのは、微粒子の大きさにある程度
のばらつきがあること、およびいくつかの微粒子がある
程度凝集していること等に起因すると考えられる。

【００６１】電場下における導電性トナーの挙動につい
ては詳細には分かっていないが、以下では、図６に示す
ように、上下基板６０上に配置されているＩＴＯ電極６
１に図のような電圧を印加した場合について考えてみ
る。電極６１上に形成されている電荷輸送層は本実施形
態では正孔輸送層６２であるため、プラスの電荷を導電
性トナー６３へ運び、導電性トナー６３はプラスに帯電
する。そして、導電性トナー６３が表面の付着力、重
力、鏡像力に打ち勝つだけの静電気力を得たときに、上
方基板の正孔輸送層６２に移動する。正孔輸送層６２に
付着した導電性トナー６３は、表面の付着力および静電
気力によって電圧を切ってもその状態を保持することに
なる。次に、逆の電圧を印加すると、導電性トナーに逆
方向の静電気力がかかり、閾値以上の電圧を印加すると
上方から下方へ移動することになる。

【００６２】なお、このような微粒子の静電気力による
駆動は、上記材料系に限られるものではない。例えば、
アクリル微粒子、表面に導電性膜を塗布した粒子、金
属、ガラス、プラスティック、カーボン、シリコン、ナ
イロン、ラテックス、エポキシ樹脂、天然高分子系の粒
子等を用いて、電極上の膜を電子輸送層、ポリカーボネ
ート、ポリイミド、ポリアミック酸、フッ素系樹脂、ナ
イロン、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、酸化ケ
イ素、セラミック等と適宜組み合わせて用いることが可
能である。このような静電気力は、微粒子と膜の摩擦に
よる帯電に基づいていると考えられ、帯電序列が異符号
となる組み合わせが好適であると考えられる。さらに、
両方または片方の電極上に膜が設けられていない場合で
も、微粒子を駆動することができる。

【００６３】なお、本実施形態ではパネル全面を単一画
素としてスイッチさせたが、画素を細分化して画素に対
応したカラーフィルターを前面に配置することによっ
て、カラー表示を行うことも可能となる。

【００６４】（実施形態２）本実施形態では、図７に示
すような電場変形性のゲルからなる圧電素子７３を用い
た反射型光変調素子を作製した。厚さ１．１ｍｍのガラ
スからなる上下基板７０、７６の上に厚さ２００ｎｍの
ＩＴＯ電極８４が２０μｍ間隔で基板面内に平行に形成
されている。本実施形態でガラス基板を用いているの
は、圧電素子の駆動による基板の変形を防ぐためであ
る。

【００６５】上方基板７０の外側（観測者側）の面に
は、ビーズおよび透明樹脂コートとしてアクリル樹脂を
用いて作製した図５（ｄ）に示すような凹凸構造が形成
されている。スペーサ７１は厚み１００μｍのフィルム
を上下基板の四辺に配置して一種の壁構造を構成し（実
際にはこのような画素を複数形成する）、エポキシ樹脂
で固めて形成した。

【００６６】下方基板７６上には、黒色の光吸収層（着
色層）７５が設けられている。電場変形性を有するゲル
としては、ポリビニルアルコールにジメチルスルホキシ
ドを含有させたものを用い、電極７４上に厚さ約９０μ
ｍ（上方基板との距離約１０μｍ）で配置して圧電素子
７３とした。

【００６７】このように構成したセルに対して約５Ｖ〜
２０Ｖの電圧を隣接する電極間に印加することにより、
圧電素子７３を凹凸構造を有する上方基板７０への接
触、非接触の２状態間で切り替えることができ、接触状
態のときに黒、非接触状態のときに白の表示が確認され
た。また、印加電圧に応じた中間調表示は可能であった
が、電圧を切ったときに表示状態を保持するメモリ特性
は見られなかった。このため、マトリックス表示を行う
ためには、図８に示すように、各画素にアクティブ素子
としてＴＦＴ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔ
ｏｒ）素子８０を設けて圧電素子８１を駆動することが
好ましく、これにより、電圧を所望の時間保持すること
が可能となる。

【００６８】なお、このような圧電素子の電圧による駆
動は、上記材料系に限られるものではない。例えば、電
気応答性を有する高分子ゲルとしては、イオン性高分子
ゲルであるナフィオン、導電性高分子であるポリアニリ
ンやポリピロール、非イオン性高分子ゲルであるポリウ
レタンエラストマー等が挙げられる。また、電気応答性
を有する液晶エラストマーは、側鎖に液晶類似構造を有
する高分子中に低分子液晶を膨潤したもので、電場によ
る低分子液晶の配向変化が高分子側鎖に動きとして伝わ
ってマクロな変形を起こすものである。例えば、シアノ
ビフェニル基を側鎖に有するアクリル系モノマーとｎ架
橋剤をラジカル共重合し、低分子液晶中で膨潤したもの
が知られている。その他にも、一般的なワックス類や脂
肪酸、脂肪酸誘導体、芳香族アミドを用いることも可能
である。有機圧電素子としては、ポリフッ化ビニリデン
（ＰＶＤＦ）や、ＰＶＤＦと三フッ化エチレン（ＴｒＥ
Ｅ）、四フッ化エチレン（ＴＦＥ）もしくはフッ化ビニ
ル（ＶＦ）等との共重合体、ＰＶＤＦやフッ素ゴム、エ
ポキシ樹脂にＢａＴｉＯ₃やＰＺＴ等の無機強誘電体材
料を混合した複合材料等が挙げられる。また、一般的な
圧電素子である水晶、ロッシェル塩、ＫＰＤ、ＢａＴｉ
Ｏ₃、ＺｎＯ、ＰＴ、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＬｉＮｂＯ₃、
ＬｉＴａＯ₃等の単結晶セラミック材料も用いることが
できる。なお、本実施形態ではパネル全面を単一画素と
してスイッチさせたが、画素を細分化して画素に対応し
たカラーフィルターを前面に配置することによって、カ
ラー表示を行うことも可能となる。

【００６９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の光変調素
子によれば、少なくとも一方が凹凸構造を有する２枚の
基板間に封入された微粒子が、電極への電圧印加によっ
て凹凸構造を有する基板と対向基板との間を移動する。
これにより、観測者は、凹凸構造を有する基板に微粒子
が付着した状態では微粒子の色を、対向基板に付着した
状態では凹凸基板と空気との界面の効果による明るい白
色を観測することができる。

【００７０】他の本発明によれば、少なくとも一方が凹
凸構造を有する２枚の基板間に設けられた圧電素子が、
電極への電圧印加によって凹凸構造を有する基板への接
触状態と非接触状態との間で切り替わる。これにより、
観測者は、凹凸構造を有する基板と圧電素子が接触した
状態では背面に配置された着色層の色を、凹凸構造を有
する基板と圧電素子が非接触の状態では凹凸基板と空気
との界面の効果による明るい白色を観測することができ
る。

【００７１】これらの光変調素子によれば、高明度およ
び高コントラスト比の反射型ディスプレイを実現するこ
とができ、さらに、一般的な反射光変調を利用した素子
にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】凹凸構造を有する基板に入射した光の経路につ
いて説明するための模式図である。

【図２】本発明に係る微粒子を用いた反射型光変調素子
の一例を示す断面図である。

【図３】本発明に係る圧電素子を用いた反射型光変調素
子の一例を示す断面図である。

【図４】実施形態１に係る微粒子を用いた反射型光変調
素子を示す断面図である。

【図５】（ａ）〜（ｅ）は実施形態１および実施形態２
に用いた凹凸構造を有する基板の一例を示す断面図であ
る。

【図６】微粒子の電場下における挙動を説明するための
模式図である。

【図７】実施形態２に係る圧電素子を用いた反射型光変
調素子を示す断面図である。

【図８】ＴＦＴを用いたアクティブマトリックス構造に
ついて説明するための模式図である。

【図９】単純マトリックス構造について説明するための
模式図であり、（ａ）はパネルの正面図、（ｂ）はその
断面図である。

【符号の説明】

１０凹凸構造を有する基板１１凹凸構造面１２平面１３外光（入射光）１４入射光側に返る光１５透過する光１６内部に閉じ込められて横方向に抜けるか、または
内部で吸収される光２０外光（入射光）２１観測者側に返る光２２凹凸構造を有する基板２３電極２４電荷輸送層２５スペーサ壁２６空気２７微粒子２８平面基板３０外光（入射光）３１観測者側に返る光３２凹凸構造を有する基板３３スペーサ壁３４空気３５圧電素子３６電極３７着色層３８平面基板４０凹凸構造を有するプラスティック基板４１ＩＴＯ電極４２正孔輸送層４３スペーサ壁４４空気４５微粒子（黒色導電性トナー）４７平面プラスティック基板６０基板６１ＩＴＯ電極６２正孔輸送層６３導電性トナー７０凹凸構造（アクリル性凹凸フ
ィルム）を有するガラス基板７１スペーサ壁７２空気７３圧電素子（電場変形性ゲル）７４ＩＴＯ電極７５光吸収層７６平面ガラス基板８０ＴＦＴ素子８１圧電素子９０下方基板９１上方基板９２上方基板上の電極９３下方基板上の電極９４絶縁層９５シール９６絶縁層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三ツ井精一大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 2H041 AA21 AB32 AB38 AC06 AC08 AZ01 AZ08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方が電極を有する一対の基
板が空間を隔てて平行に配置され、少なくとも一方の基
板が透明な材質からなり、かつ、少なくとも一方の面に
凹凸構造が設けられており、該一対の基板間に微粒子が封入され、該電極への電圧印
加によって該微粒子を両基板の間で移動させることを特
徴とする光変調素子。
【請求項２】前記微粒子が着色していることを特徴と
する請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】少なくとも一方が電極を有する一対の基
板が空間を隔てて平行に配置され、少なくとも一方の基
板が透明な材質からなり、かつ、少なくとも一方の面に
凹凸構造が設けられており、該凹凸構造を有する基板が、空気中で光散乱性または指
向性のある光反射特性を有し、該一対の基板間に微粒子が封入され、該電極への電圧印
加によって該微粒子を両基板の間で移動させることを特
徴とする光変調素子。
【請求項４】少なくとも一方が電極を有する一対の基
板が空間を隔てて平行に配置され、少なくとも一方の基
板が透明な材質からなり、かつ、少なくとも一方の面に
凹凸構造が設けられており、該一対の基板間に圧電素子が設けられ、該電極への電圧
印加によって該圧電素子を該凹凸構造を設けた基板への
接触状態と非接触状態との間で切り替えることを特徴と
する光変調素子。
【請求項５】前記圧電素子が前記凹凸構造を構成する
材料の屈折率と略同じ屈折率を有し、透明な材質からな
ることを特徴とする請求項４に記載の光変調素子。
【請求項６】前記圧電素子が電場変形性ゲルからなる
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の光変
調素子。
【請求項７】前記圧電素子の観測者と反対側の面に着
色層が配置されていることを特徴とする請求項４乃至請
求項６のいずれかに記載の光変調素子。
【請求項８】少なくとも一方が電極を有する一対の基
板が空間を隔てて平行に配置され、少なくとも一方の基
板が透明な材質からなり、かつ、少なくとも一方の面に
凹凸構造が設けられており、該凹凸構造を有する基板が、空気中で光散乱性または指
向性のある光反射特性を有し、該一対の基板間に圧電素子が設けられ、該電極への電圧
印加によって該圧電素子を該凹凸構造を設けた基板への
接触状態と非接触状態との間で切り替えることを特徴と
する光変調素子。
【請求項９】前記電極がマトリックス構造からなり、該マトリックス構造の格子点で１画素が構成され、該画
素の４辺が壁構造によって区画されていることを特徴と
する請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の光変調素
子。
【請求項１０】前記凹凸構造が前記基板の観測者側の
面に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求
項９いずれかに記載の光変調素子。